西安交大方吉祥教授Nano Letters：新型纳米传感器技术突破，助力早期肺癌非侵入性检测

肺癌是世界范围内最致命的癌症之一，早期诊断对于提高患者的生存率至关重要。然而，现有的检测方法往往存在灵敏度低、成本高和操作复杂等问题。呼气分析作为一种非侵入性、快速且友好的检测方法，近年来备受关注，但其在气态分析物的富集和检测方面仍面临重大挑战。

此次研究中，西安交通大学生命学院方吉祥教授团队结合了介孔金（MesoAu）和金属有机框架（MOFs），成功制备出具有高灵敏度和快速检测能力的新型气体传感器。本次研究中使用的介孔金合成技术，得益于方吉祥教授团队2018年在《Nature Communications》上发表的研究成果（Nature Communications, 2018, 9, 521）。该研究提出了纳米铸造中“软包裹”策略，解决了多年来利用介孔模板纳米铸造制备介孔贵金属纳米结构中产物向分子筛模板外扩散溢出的技术难题。在本次研究中，介孔金因其丰富的活性位点和三维互联的介孔结构，有助于分析物的扩散和检测，而ZIF-8壳层进一步富集目标分子，显著提升了检测灵敏度。这种新型结构不仅克服了气态分子富集和检测的难题，还通过有限元模拟分析了气态分析物在传感器中的浓度变化，验证了其优异的气体富集和SERS增强效应。

这一新型纳米结构在气体传感领域展示了巨大的应用前景，特别是在灵敏度上取得了重要突破。研究表明，该传感器对肺癌诊断中的关键生物标志物苯甲醛的检测限达到了0.32 ppb，显示出对早期肺癌快速诊断的潜力。

图1. A-C）MesoAu@ZIF-8蛋黄壳结构合成过程TEM图，(D) 气体检测示意图。

该研究的关键在于采用了“软包裹策略”合成的介孔金和ZIF-8壳层的结合。研究团队通过优化反应条件，成功实现了多个介孔金纳米粒子的均匀包裹，并利用单宁酸选择性蚀刻技术构建了独特的“蛋黄壳”多级孔结构。这种新型结构不仅克服了气态分子富集和检测的难题，还通过有限元模拟分析了气态分析物在传感器中的浓度变化。一方面，MOF材料的大比表面积和多孔结构可以在通道中富集气体分子。然而，另一方面，部分气体分子可能会被吸附在MOF的多孔结构中，从而干扰醛类分子与SERS热点的接触，阻碍SERS信号的生成。为了更好地理解气态分析物在MesoAu、MesoAu@ZIF-8和MesoAu@ZIF-8蛋黄壳中的浓度变化动态，研究团队使用COMSOL Multiphysics软件（版本5.5）进行了有限元模拟（图2C-E）。这些模拟结果表明，对于MesoAu@ZIF-8，气态分析物在检测点周围的浓度相对较低，而在中空蛋黄壳结构中浓度显著较高。这可能得益于中空结构，相比于标准的MesoAu@ZIF-8的完全包覆，中空结构允许分析物更自由地扩散，不会被ZIF-8基质显著吸附。此外，蛋黄壳结构中的中空区域确保了介孔金更容易接触到分析物，这种可及性显著增加了分析物与金表面的相互作用，这对于增强SERS信号至关重要。

图2.（A） 原理图：4-ATP与BA之间的席夫碱反应。（B）4-ATP与BA反应前后的归一化拉曼光谱。C-E）Comsol模拟气体的浓度变化：MesoAu；DMesoAu@ZIF-8以及MesoAu@ZIF-8蛋黄壳。F-H）SERS光谱。

另一方面，方吉祥教授团队的研究关注了气体吸附与纳米结构之间的关系，为优化传感器设计以实现快速响应时间提供了重要见解。这不仅有助于更深入地理解传感器的工作机制，还推动了更灵敏和响应更快的基于SERS的气体传感器的发展。本次研究中，作者提出介孔金三维联通的孔道结构可能会促进气态醛的更快扩散，并缩短检测的响应时间。另外通过ZIF-8壳层的包覆，形成的中空结构产生了独特的扩散动力学。一旦分析物进入中空结构，它们往往会在那里停留更长时间，因为结构内的扩散速率比周围环境慢。这种较慢的扩散速率可以防止分析物快速分散回到环境中。这导致中空卵黄壳内分析物的稳态浓度更高。因此，如图3D所示，当达到吸附平衡时，MesoAu@ZIF-8蛋黄壳显示出比MesoAu结构更高的苯甲醛拉曼强度。

图3. (A) Au NPs、MesoAu、MesoAu@ZIF-8蛋黄壳的气体分子吸附模型。(B) 示意图说明了Au纳米粒子（Au NPs）、介孔金（MesoAu）、MesoAu@ZIF-8蛋黄壳对气体分析物的捕获和浓缩。(C) 吸收荧光气体分子后的Au纳米粒子（Au NPs）、介孔金（MesoAu）和MesoAu@ZIF-8蛋黄壳的显微镜图像及由上述荧光图像获得的相对荧光强度。(D) 经4-ATP修饰的Au纳米粒子（Au NPs）、介孔金（MesoAu）和MesoAu@ZIF-8蛋黄壳对苯甲醛（BA）的气体吸附动力学。

【研究意义与展望】

这一研究成果标志着在非侵入性癌症检测领域迈出了重要一步，未来有望应用于便携式SERS设备的开发，用于早期肺癌的辅助筛查。该研究不仅为SERS技术在气态分子检测中的应用提供了新的思路，还展示了MesoAu@ZIF-8纳米结构在其他气体传感领域的广泛应用前景。未来，研究团队将继续优化传感器的结构设计，以进一步提升其灵敏度和实用性，为临床诊断提供更加高效和便捷的解决方案。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02267